FR3136273A1 - Dispositif autonome de refroidissement d’un processus industriel, notament d’un centre de traitement de données, et centre de traitement de données utilisant ledit dispositif - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un dispositif de refroidissement qui comporte un circuit fermé de fluide de refroidissement (200) relié à un premier échangeur thermique (210), et un sous-système de génération d’énergie électrique (400) comprenant un fluide de travail circulant en circuit fermé (410) entre un évaporateur (430) chauffant ledit fluide de travail pour obtenir de la vapeur, un turbogénérateur (440) transformant la vapeur en énergie électrique, et un condenseur (420) qui liquéfier le fluide de travail après passage dans le turbogénérateur (440) pour le fournir à l’évaporateur (430). Le condenseur (420) refroidit le fluide de travail à partir d’eau pompée dans la nature. Le premier échangeur thermique (210) est relié au condenseur (420) afin de refroidir le fluide de refroidissement avec l’eau pompée qui sort du condenseur (420). L’évaporateur (430) transfert de l’énergie calorifique au fluide de travail à partir de l’eau pompée qui sort du premier échangeur thermique (210). Figure pour l’abrégé : Fig.1

Description

DISPOSITIF AUTONOME DE REFROIDISSEMENT D’UN PROCESSUS INDUSTRIEL, NOTAMENT D’UN CENTRE DE TRAITEMENT DE DONNÉES, ET CENTRE DE TRAITEMENT DE DONNÉES UTILISANT LEDIT DISPOSITIF

La présente invention se rapporte à un dispositif autonome de refroidissement d’un processus industriel, notamment d’un centre de données, et centre de données utilisant ledit dispositif.

Arrière-Plan Technologique

De nombreux processus industriels produisent de la chaleur et certains processus nécessitent d’être refroidis. Un centre de traitement de données peut comporter plusieurs centaines de serveurs qui sont des ordinateurs très puissants disposant de nombreux microprocesseurs dans un espace confiné. La chaleur produite par les microprocesseurs doit être évacuée par des systèmes de refroidissement afin d’éviter une surchauffe qui est nuisible au bon fonctionnement des ordinateurs. Parmi les solutions de refroidissement, il est connu de placer des radiateurs à refroidissement liquide sur les microprocesseurs et de les relier à un système de circulation d’eau qui permet d’évacuer la chaleur tout en restant relativement compact. Idéalement de tels circuits de refroidissement permette de maintenir la température de fonctionnement des microprocesseurs à une température optimale de fonctionnement de l’ordre de 40 à 60°C.

Les systèmes de refroidissement par circulation d’eau ont pour avantage d’être relativement compacts et efficaces. La consommation d’énergie, principalement électrique, d’un système de refroidissement par circulation d’eau est relativement importante car il faut faire circuler une masse d’eau importante à travers les radiateurs des microprocesseurs disposés dans tous les serveurs d’un centre de données et également refroidir la masse d’eau. Cette consommation d’énergie s’ajoute à l’énergie de fonctionnement des serveurs du centre de traitement de données. A titre d’information, la consommation de tous les centres de données de la planète représente aujourd’hui près de 3% de la consommation électrique mondiale et ne fait que croître. Il est donc nécessaire de trouver des solutions pour réduire la consommation de ces centres de données.

Par ailleurs, il est connu des systèmes de refroidissement utilisant l’énergie calorifique de la mer ou de lacs. De tels systèmes connus sous l’acronyme SWAC (de l’anglais Sea Water Air Conditionning). Un SWAC permet des économies d’énergie de 80 à 90% par rapport à un système conventionnel utilisant l’air. Le principe d’un SWAC consiste à pomper de l’eau très froide (environ 5°C à 7°C) en profondeur afin de refroidir par échange thermique un réseau d’eau glacée (de l’ordre de 10 à 15°C) qui est utilisé pour refroidir l’air d’un système de climatisation ou les condenseurs d’un groupe frigorifique. Après l’échange thermique, l’eau de mer est renvoyée à la mer à une température réchauffée (aux alentours de 10°C à 12°C).

Un système SWAC peut être utilisé dans le cadre d’un refroidissement de centre de traitement de données situé à proximité de la mer, d’un lac ou d’une rivière. Cependant, l’eau à refroidir dans un circuit de refroidissement d’un centre de données est à une température de 50 à 60°C, voire supérieure. L’eau de mer réchauffée étant ensuite retournée dans l’océan, il convient d’éviter que la température de rejet dépasse les 25°C. Pour limiter l’accroissement de la température, le débit d’eau de mer pompée doit être beaucoup plus important par rapport au débit d’eau du circuit de refroidissement, ce qui augmente la consommation électrique d’un tel système.

Pour réduire la consommation électrique des centres de données, il est également connu d’y intégrer une source d’énergie renouvelable. Etant à proximité de la mer, il est connu de coupler un système SWAC avec un système connu sous l’acronyme OTEC (de l’anglais Ocean Thermal Energy Conversion). Le principe de l’OTEC consiste à utiliser le différentiel de température existant entre une source chaude constituée d’eau de mer de surface. Toutefois, un système OTEC nécessite d’avoir une température d’eau de mer en surface à au moins 25°C, ce qui n’est possible que dans les zones tropicales.

L’invention vise à réduire la consommation d’un système de refroidissement de type SWAC utilisable pour refroidir des processus industriels à des températures élevées, notamment pour les centres de traitement de données. A cet effet, le système de refroidissement récupère la chaleur dégagée par le processus industriel pour produire de l’énergie électrique, servant notamment à s’autoalimenter.

L’invention propose un dispositif de refroidissement qui comporte un circuit fermé de refroidissement et un sous-système de génération d’énergie électrique. Le circuit fermé de refroidissement est relié fluidiquement à un premier échangeur thermique, ledit circuit fermé comprenant un fluide de refroidissement. Le sous-système de génération d’énergie électrique comprend un fluide de travail circulant en circuit fermé entre un évaporateur qui chauffe ledit fluide de travail pour obtenir de la vapeur sous pression, un turbogénérateur transformant la vapeur sous pression en énergie électrique, et un condenseur qui refroidit la vapeur après passage dans le turbogénérateur afin de liquéfier le fluide de travail pour le fournir à l’évaporateur. Le condenseur est un deuxième échangeur thermique qui refroidit le fluide de travail à partir d’eau pompée dans la nature. Le premier échangeur thermique est relié fluidiquement au condenseur afin de refroidir le fluide de refroidissement avec l’eau pompée qui sort du condenseur. L’évaporateur est un troisième échangeur thermique qui transfert de l’énergie calorifique au fluide de travail à partir de l’eau pompée qui sort du premier échangeur thermique.

Ainsi, l’eau pompée dans la nature assure la condensation du fluide de travail, le refroidissement du processus industriel et également l’évaporation du fluide de travail en utilisant la chaleur dégagée par le processus industriel. Un tel système peut être utilisé n’importe où sur le globe terrestre dès lors qu’une source naturelle d’eau froide est disponible.

Dans un mode de réalisation particulier, le fluide de refroidissement est de l’eau douce.

Pour obtenir un rendement suffisant pour s’autoalimenter, le fluide de refroidissement peut rentrer préférentiellement dans le premier échangeur thermique à une température supérieure ou égale à 45°C.

Afin d’assurer un changement d’état et une mise sous pression permettant de produire de l’énergie électrique, le fluide de travail peut être un fluide frigorigène.

Ainsi, le fluide de travail peut être chauffé à une température supérieure ou égale à 29°C et refroidi à une température inférieure ou égale à 14°C.

Dans un mode de réalisation préféré, l’eau pompée peut être de l’eau de mer pompée en profondeur.

Pour assurer la climatisation en plus du refroidissement du processus industriel, le dispositif de refroidissement peut comporter en outre un circuit fermé de fluide froid relié fluidiquement à un quatrième échangeur thermique et à un groupe de froid, le quatrième échangeur thermique refroidissant le fluide froid avec de l’eau pompée dans la nature et fournissant l’eau pompée ainsi réchauffée au premier échangeur thermique.

L’invention propose également un centre de traitement de données comprenant une pluralité d’ordinateurs disposant d’au moins un radiateur de refroidissement à eau, ainsi qu’un dispositif de refroidissement selon l’invention. Au moins un radiateur de refroidissement à eau est relié fluidiquement au circuit fermé de refroidissement du dispositif de refroidissement.

Afin de refroidir l’air ambiant en plus des ordinateurs, ledit centre de traitement de données peut comporter en outre une climatisation correspondant au groupe de froid qui refroidit l’air ambiant à l’aide d’un fluide froid produit par le dispositif de refroidissement.

Brève description des figures

L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre d’exemples illustratifs et non limitatifs, et faisant référence aux dessins annexés, parmi lesquels :

illustre un premier exemple de réalisation d’un dispositif de refroidissement selon l’invention.

illustre un deuxième exemple de réalisation d’un dispositif de refroidissement selon l’invention.

Description détaillée

Afin de simplifier la description qui va suivre, une même référence est utilisée dans différentes figures pour désigner un même objet ou un élément similaire. Ainsi, lorsque la description cite un objet référencé, cet objet pourra être identifié sur plusieurs figures. En outre, les figures ainsi que la description sont données à titre d’exemples illustratifs et non limitatifs de réalisation. Pour des raisons de représentation, les dessins ne sont pas réalisés à l’échelle afin de permettre de visualiser l’ensemble des éléments sur un même schéma.

De plus, il convient de noter que l’invention a vocation à être utilisée à proximité d’une source d’eau froide naturelle. Dans les exemples de réalisation, la mer est utilisée comme source d’eau froide, mais une autre source d’eau froide peut être utilisée.

La illustre un premier exemple de réalisation d’un dispositif de refroidissement selon l’invention. Dans cet exemple, le processus industriel à refroidir est un centre de traitement de données 100 qui comporte une pluralité de serveurs S dont le refroidissement se fait par circulation d’un fluide de refroidissement, par exemple de l’eau douce. A cet effet, les serveurs S sont reliés fluidiquement à un circuit fermé de refroidissement 200. Le circuit de refroidissement 200 est également relié fluidiquement à un premier échangeur thermique 210 et à une pompe de circulation 220. La pompe de circulation 220 assure la circulation de fluide entre le premier échangeur 210 thermique et les serveurs S afin de refroidir le fluide de refroidissement dans le premier échangeur thermique 210 et donc de refroidir les serveurs S.

Le dispositif de refroidissement de l’invention comporte également un circuit ouvert 300 de circulation d’eau, par exemple de l’eau de mer. Le circuit ouvert 300 comporte une pompe de prélèvement 310. La pompe de prélèvement 310 est une pompe qui permet de pomper de l’eau de mer en profondeur, par exemple à 1000 mètres de profondeur, et permet également d’assurer la circulation d’eau de mer dans le circuit ouvert 300. Une telle pompe 310 peut être composée d’une ou plusieurs pompes refoulantes cascadées selon une technique connue afin de permettre un tel pompage. A titre d’exemple, l’eau de mer pompée à 1000 mètres de fond est à une température quasi constante toute l’année qui est de l’ordre de 5°C, ce qui permet d’avoir une eau relativement froide.

Le circuit ouvert 300 est fluidiquement relié au premier échangeur thermique 220 afin d’assurer un transfert de calories entre le circuit de refroidissement 200 et le circuit ouvert. Le transfert de calories permet ainsi de refroidir le fluide de refroidissement dans le premier échangeur thermique 210.

Afin d’assurer l’autonomie énergétique du dispositif de refroidissement, le dispositif de refroidissement comporte un sous-système de génération d’énergie électrique 400 qui comporte principalement un circuit fermé de fluide de travail 410, un deuxième échangeur thermique 420, un troisième échangeur thermique 430 et un turbogénérateur 440. Le circuit fermé de fluide de travail 410 est relié fluidiquement au deuxième échangeur thermique 420, au troisième échangeur thermique 430 et au turbogénérateur 440. Une pompe 450 peut assurer la circulation du fluide de travail à l’intérieur du circuit fermé de fluide de travail 410. Une telle pompe 450 est optionnelle si les deuxième et troisième échangeurs 420 et 430 sont positionnés verticalement et disposent d’une hauteur suffisante pour que la circulation se fasse naturellement sous l’action de la gravité. Dans ce premier exemple de réalisation, le fluide de travail est un fluide frigorigène ayant un point de vaporisation situé aux alentours de 25°C à une pression de l’ordre de 6 à 7 bars. A titre d’exemple, le fluide de travail peut être un tetrafluoropropène. Un tetrafluoropropène qui convient est vendu sous la marque Solstice® avec la référence yf(R-1234yf) par la société Honeywell.

Le turbogénérateur 440 est principalement constitué d’une turbine reliée à un générateur électrique. La turbine reçoit le fluide de travail sous forme de vapeur sous pression provenant du troisième échangeur thermique 430. La vapeur sous pression entraîne la turbine qui entraîne le générateur électrique et produit ainsi de l’électricité. En traversant la turbine, la vapeur de fluide de travail perd de l’énergie, abaissant sa pression et sa température.

Le deuxième échangeur thermique 420 est également relié au circuit ouvert 300 afin de permettre un échange de calories entre l’eau de mer fournie par la pompe de prélèvement 310 et le fluide de travail circulant circuit fermé de fluide de travail 410, l’eau de mer se réchauffant tout en refroidissant le fluide de travail. Le deuxième échangeur thermique 420 fonctionne en condenseur qui transforme le fluide de travail de l’état vapeur à l’état liquide par échange thermique avec l’eau de mer. Le dimensionnement du deuxième échangeur thermique 420 est réalisé afin de permettre une condensation du fluide de travail de l’état vapeur à une température de l’ordre de 18°C à un état liquide à 11°C tout en ne réchauffant l’eau de mer que de 5°C à 9°C lors de l’échange thermique. Ainsi, l’eau de mer sortant du deuxième échangeur thermique 420 doit être à une température comprise entre 10°C et 14°C et préférentiellement 12°C. Un tel échange peut être atteint avec un volume de circulation de fluide de travail 10 fois inférieur au volume de circulation d’eau de mer.

L’eau de mer sortant du deuxième échangeur thermique 420 est ensuite fournie au premier échangeur thermique 210 afin de refroidir le fluide de refroidissement. A titre d’exemple, le fluide de refroidissement sortant des serveurs S peut atteindre une température de 50°C et peut être refroidi à une température de l’ordre de 30°C dans le premier échangeur thermique 210. Avec un débit d’eau de mer de l’ordre de 1,5 fois le débit de fluide de refroidissement, l’eau de mer est réchauffée de 15°C à 25°C lors de l’échange de calories réalisé dans le premier échangeur thermique 210. Ainsi, l’eau de mer sortant du premier échangeur thermique 210 peut se trouver à une température comprise entre 25°C et 40°C, préférentiellement supérieure à 35°C.

Le troisième échangeur thermique 430 est également relié au circuit ouvert 300 afin de permettre un échange de calories entre le fluide de travail circulant dans ledit circuit fermé 410 et l’eau de mer sortant du premier échangeur thermique 210, le fluide de travail se réchauffant tout en refroidissant l’eau de mer. Le troisième échangeur thermique 430 fonctionne en évaporateur qui transforme le fluide de travail de l’état liquide à l’état vapeur par échange thermique avec l’eau de mer. Le dimensionnement du troisième échangeur thermique 430 est réalisé afin de transformer le fluide de travail en vapeur sous pression à une température de 29°C tout en refroidissant l’eau de mer d’environ 15°C à 20°C lors de l’échange thermique. L’eau de mer sortant du troisième échangeur thermique 430 à une température de l’ordre de 20°C peut ensuite être renvoyée à la mer.

La production d’énergie électrique produite par le sous-système de génération d’énergie électrique 400 permet ainsi d’auto-alimenter le dispositif de refroidissement en réutilisant la chaleur produite par les serveurs S. L’homme du métier comprendra qu’il est possible d’adapter le dispositif de refroidissement en fonction des besoins. Notamment, le circuit de refroidissement 200 de l’exemple décrit prévoit une température variant de 30°C à 50°C, ces températures peuvent varier en fonction des besoins de refroidissement des serveurs S. Toutefois, afin de permettre une récupération d’énergie suffisante, il convient d’avoir une température de fluide de refroidissement en sortie des serveurs qui soit au moins égale à 45°C afin de pouvoir réchauffer l’eau de mer à au moins 25°C, des températures supérieures à 50°C permettront de générer plus d’énergie électrique. Les débits des différents fluides ainsi que les surfaces d’échange de calories des échangeurs thermiques seront à dimensionner en fonction des températures souhaitées, l’important étant d’avoir un écart de température supérieur à 15°C pour le fluide de travail entre la température de sortie du deuxième échangeur thermique 420 et la température de sortie du troisième échangeur thermique 430.

Si le circuit ouvert 300 de circulation d’eau est alimenté par une source d’eau pompée dans la nature autre que la mer, tel que par exemple un lac ou une rivière, il conviendra de ne pas rejeter directement l’eau pompée dans ces sources afin d’éviter d’endommager l’écosystème. L’eau rejetée pourra, par exemple, être utilisée pour alimenter un réseau de distribution d’eau potable.

Malgré l’utilisation de refroidissement liquide dans les serveurs, la température dans un centre de données doit être régulée et nécessite une ventilation ou une climatisation afin de maintenir la température ambiante en dessous de 30°C pour le confort des personnes qui y travaillent. La illustre un deuxième exemple de réalisation d’un système de refroidissement selon l’invention qui se différentie du premier exemple de réalisation par l’ajout d’une climatisation 500 dans le centre de traitement de données 100. La climatisation 500 est de type conventionnel et permet de refroidir l’air ambiant à partir d’un circuit fermé de fluide froid 510 selon une technique connue.

Selon l’invention, le circuit fermé de fluide froid 510 est relié fluidiquement à un quatrième échangeur thermique 520 et à une pompe de circulation 530 qui assure la circulation du fluide froid entre la climatisation 500 et le quatrième échangeur thermique 520. Le quatrième échangeur thermique 520 assure un échange de calories entre le fluide froid et l’eau de mer circulant dans un circuit de dérivation 540. A cet effet, le circuit de dérivation 540 est relié fluidiquement au circuit ouvert 300 et au quatrième échangeur thermique 520 afin de fournir de l’eau de mer provenant directement de la pompe de prélèvement 310 audit quatrième échangeur 520 et de fournir l’eau de mer sortant du quatrième échangeur thermique 520 au premier échangeur thermique 210. Ainsi, il est possible de maintenir le fluide froid à une température inférieure à 10°C tout en ne réchauffant l’eau de mer du circuit de dérivation que de 5°C.

La quantité d’eau dérivée dans le circuit de dérivation 540 est par exemple inférieure à 10% de l’eau de mer pompée. La quantité d’eau dérivée dans le circuit de dérivation 540 peut être constante et déterminée par la taille des tuyaux du circuit ouvert 300 et du circuit de dérivation 540, la circulation dans les deux circuits étant assurée par la pompe de prélèvement 310. Toutefois, pour assurer une régulation plus fine de la température du fluide froid, il est possible de rajouter une pompe 550 qui permet de réguler le débit d’eau de mer à l’intérieur du circuit de dérivation 540.

L’ajout du circuit de dérivation 540 n’a que peu d’effet sur le fonctionnement global du système et le reste du dispositif de refroidissement fonctionne à l’identique de ce qui a été décrit en relation avec le premier exemple de réalisation. L’homme du métier comprendra qu’il pourra adapter les différentes températures de fonctionnement à ses besoins comme indiqué précédemment.

Claims (9)

1. Dispositif de refroidissement qui comporte :
   - un circuit fermé de refroidissement (200) relié fluidiquement à un premier échangeur thermique (210), ledit circuit fermé comprenant un fluide de refroidissement,
   - un sous-système de génération d’énergie électrique (400) comprenant un fluide de travail circulant en circuit fermé (410) entre un évaporateur (430) qui chauffe ledit fluide de travail pour obtenir de la vapeur sous pression, un turbogénérateur (440) transformant la vapeur sous pression en énergie électrique, et un condenseur (420) qui refroidit la vapeur après passage dans le turbogénérateur (440) afin de liquéfier le fluide de travail pour le fournir à l’évaporateur (430),
   dans lequel
   - le condenseur (420) est un deuxième échangeur thermique qui refroidit le fluide de travail à partir d’eau pompée dans la nature,
   - le premier échangeur thermique (210) est relié fluidiquement au condenseur (420) afin de refroidir le fluide de refroidissement avec l’eau pompée qui sort du condenseur (420),
   - l’évaporateur (430) est un troisième échangeur thermique qui transfert de l’énergie calorifique au fluide de travail à partir de l’eau pompée qui sort du premier échangeur thermique (210).
2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, dans lequel le fluide de refroidissement est de l’eau douce.
3. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le fluide de refroidissement rentre dans le premier échangeur thermique (210) à une température supérieure ou égale à 45°C.
4. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le fluide de travail est un fluide frigorigène
5. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le fluide de travail est chauffé à une température supérieure ou égale à 29°C et refroidi à une température inférieure ou égale à 14°C.
6. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’eau pompée est de l’eau de mer pompée en profondeur.
7. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications 1 à 6, lequel comporte en outre un circuit fermé de fluide froid (510) relié fluidiquement à un quatrième échangeur thermique (520) et à un groupe de froid (500), le quatrième échangeur thermique (520) refroidissant le fluide froid avec de l’eau pompée dans la nature et fournissant l’eau pompée ainsi réchauffée au premier échangeur thermique (210).
8. Centre de traitement de données (100) comprenant une pluralité d’ordinateurs (S) disposant d’au moins un radiateur de refroidissement à eau, caractérisé en ce que le centre de données comporte un dispositif de refroidissement selon l’une des revendications 1 à 6, et dans lequel le au moins un radiateur de refroidissement à eau est relié fluidiquement au circuit fermé de refroidissement (200).
9. Centre de traitement de données selon la revendication 8 qui comporte un dispositif de traitement selon la revendication 7, ledit centre de traitement de données comporte en outre une climatisation (500) correspondant au groupe de froid qui refroidit l’air ambiant à l’aide du fluide froid.